DE3035933C2 - Pyroelectric detector and method for manufacturing such a detector - Google Patents
Pyroelectric detector and method for manufacturing such a detectorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor mit einem aus pyroelektrischem Material bestehenden Plättchen, einer zur Aufnahme infraroter Strahlen auf einer der Grundflächen des Plättchens vorgesehenen infrarot-empfincHichen Elektrode sowie einer auf deren gegenüberliegender Grundfläche angeordneten Schirmelektrode, bei dem die Schirmelektrode fest aufThe invention relates to a pyroelectric detector comprising a pyroelectric material Plate, one provided for receiving infrared rays on one of the base surfaces of the plate infrared-sensitive electrode as well as one whose opposite base is arranged screen electrode, in which the screen electrode is firmly on
so ein unterhalb des pyroelektrischen Plättchens ein Loch aufweisendes Substrat geklebt ist, das seinerseits auf eine Haltevorrichtung aufgebracht ist, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen pyroelektrischen Detektors. Benutzt werden solche pyroelektrischen Detektoren zum Erfassen und Messen von Infrarotstrahlen.a substrate with a hole is glued underneath the pyroelectric plate, which in turn is glued on a holding device is applied, as well as a method for producing such a pyroelectric detector. Such pyroelectric detectors are used to detect and measure infrared rays.
Bei bekannten pyroelektrischen Detektoren hat es sich gezeigt, daß aus pyroelektrischem Material bestehende Plättchen hoher Wärmekapazität auf schnelle Änderungen der Intensität der auffallenden lnfrarolstrahlen nicht anzusprechen vermögen. Im allgemeinen werden daher zur Verringerung der Wärmekapazität unterschiedliche technische Maßnahmen angewendet, darunter bspw. die Verringerung der Stärke des Plättchens aus pyroelektrischem Material auf etwa 30 bis 50μιη. Eine Verringerung der Wärmekapazität kann aber auch erreicht werden, indem das pyroelektrische Material auf einer wärmeisolierenden Grundschicht vorgesehen und der umgebenden Luft ausgesetzt wird.In known pyroelectric detectors it has been found that they consist of pyroelectric material Platelets of high heat capacity for rapid changes in the intensity of the incident infrared rays unable to address. In general, therefore, to reduce the heat capacity various technical measures were used, including, for example, reducing the thickness of the platelet from pyroelectric material to about 30 to 50μιη. A reduction in heat capacity can but can also be achieved by placing the pyroelectric material on a heat-insulating base layer provided and exposed to the surrounding air.
wie es anhand der Fig. 1 veranschaulicht wird: Nach F i g. 1 sind eine infrarot-empfindliche Elektrode 1 und eine Schirmelektrode 2 auf den einander gegenüberliegenden Grundflächen eines pyroelektrischen Kristalles 3 vorgesehen und vermittels von Drähten 4 bzw. 4' an einen Sockel 5 angeschlossen. Der Kristall wird von den Drähten 4 bzw. 4' auch mechanisch frei über dem Sockel 5 gehalten, so daß zwar die Wärmeabgabe zufriedenstellend ist, der derart aufgebaute pyroelektrische Detektor sich aber weder als mechanisch stabil noch auf die Dauer als zuverlässig, beständig und abnutzungsfest erweist. Wegen der geringen Stärke des pyroelektrischen Kristalles 3 läßt er sich auch nur aufwendig und unter Schwierigkeiten sowie unter Inkaufnahme einer hohen Ausschußquote herstellen.as illustrated with reference to FIG. 1: According to FIG. 1 are an infrared sensitive electrode 1 and a shield electrode 2 on the opposite base of a pyroelectric crystal 3 and connected to a base 5 by means of wires 4 or 4 '. The crystal is made by the Wires 4 or 4 'also held mechanically free over the base 5, so that the heat dissipation is satisfactory is, the pyroelectric detector constructed in this way is neither mechanically stable nor on the duration proves to be reliable, durable and wear-resistant. Because of the low strength of the pyroelectric Crystal 3, he can only be laborious and difficult as well as accepting a produce a high reject rate.
Bspw. aus der DE-OS 21 21 835 ist ein anhand der F i g. 2 veranschaulichter pyroelektrischer Detektor bekannt, bei dem eine Elektrode 1 auf der freien Grundfläche eines pyro- bzw. ferroelektrischen Kristalles 3 aus LiTaO3 angeordnet ist, das von einer Schirmelektrode 2 unterfangen ist, die ihrerseits auf einer wärmeisolierenden Grundplatte 6, bspw. einer Glasplatte, vorgesehen ist. Diese wiederum ist auf den Sockel 5 montiert, und die Drähte 4 bzw. 4' dienen ausschließlich der Herstellung der elektrischen Anschlüsse. Nachteilig machen sich hierbei die Schwierigkeiten bemerkbar, die sich beim Versuch der Verbindung des Drahtes 4 mit der Schirmelektrode 2 ergeben, und unvorteilhaft erweist sich die durch die Grundplatte 6 bedingte hohe thermische Kapazität, da diese Platte zwar Wärme infolge der zo thermischen Isolierung langsam aufnimmt, sie jedenfalls aber nicht schnell wieder abzugeben vermag.For example, from DE-OS 21 21 835 a based on the F i g. 2, illustrated pyroelectric detector is known in which an electrode 1 is arranged on the free base of a pyro- or ferroelectric crystal 3 made of LiTaO3, which is underpinned by a screen electrode 2, which in turn is provided on a heat-insulating base plate 6, e.g. a glass plate is. This in turn is mounted on the base 5, and the wires 4 and 4 'are used exclusively to make the electrical connections. Make disadvantageous in this case the difficulties noticed that arise when attempting to connect the wire 4 with the shield electrode 2, and disadvantageous proves that caused by the base plate 6 high thermal capacity, since this plate while heat zo thermal insulation takes up slowly as a result of, In any case, it is not able to give it up again quickly.
Eine weitere Ausführung eines pyroelektrischen Detektors ist aus der DE-OS 21 52 299 bekannt: Gemäß F i g. 3 sind auch hier eine Elektrode ί sowie eine Schirmelektrode 2 auf einander gegenüberliegenden Grundflächen eines pyroelektrischen Kristalles 3 angeordnet, der auf einer vom Sockel 5 getragenen Grundplatte 6 angeordnet ist. Zur Vermeidung der Anschlußschwierigkeiten der Schirmelektrode jedoch ist die -to Grundplatte 6 von einer elektrisch leitenden Schicht 7 umzogen, die, als elektrisch leitender Kleber ausgebildet, auch gleichzeitig die mechanische Verbindung herzustellen vermag. Damit aber erübrig* sich der Draht 4 der F i g. 2, und zur Herstellung des Anschlusses braucht «,5 nur die Elektrode 1 mittels des Drahtes 4' mit dem isolierten Kontaktstück des Sockels 5 verbunden zu werden. Auch hier ergibt sieb eine unerwünscht hohe Wärmekapazität, und es ist ein Kristall 3 von die Herstellung komplizierender geringer Sf ärke vorzusehen.Another embodiment of a pyroelectric detector is known from DE-OS 21 52 299: According to F i g. 3 are an electrode ί and a shield electrode 2 on opposite sides Arranged bases of a pyroelectric crystal 3 on a base plate carried by the base 5 6 is arranged. To avoid the connection difficulties of the shield electrode, however, the -to Base plate 6 surrounded by an electrically conductive layer 7, which, designed as an electrically conductive adhesive, is also able to establish the mechanical connection at the same time. But with that the wire 4 is superfluous the F i g. 2, and needs to establish the connection «, 5 only the electrode 1 to be connected to the insulated contact piece of the base 5 by means of the wire 4 '. Here, too, results in an undesirably high heat capacity, and it is a crystal 3 from the manufacture to provide more complicating lower strength.
Ebenso unvorteilhaft erweist sich der pyroelektrische Detektor der eingangs genannten Art nach der US-PS 40 09 516. Durch die Verwendung eines aus Glas bestehenden Substrats wird es erforderlich, zusätzlich auch die schwierig anzuschließende Schirmelektrode zu verdrahten, und durch die Erstreckung der Aufnahmeelektrode über den gesamten Kristall wird die Empfindlichkeit beeinträchtigt Da die Grundfläche der verwendeten Kristalle die der sie unterfangenden Löcher des Substrats nur unwesentlich überschreitet, wird auch nicht die wünschenswerte maximale Stabilität des Detektors erreicht. Schließlich offenbart auch die US-PS 38 01 949 keine wünschenswerten pyroelektrischen Detektoren. Durch Verwendung relativ großer schlitzförmiger öffnungen des vorgesehenen Substrats, die zunächst von es einer Isolierschicht überbrückt sind, auf die dann jeweils eine Anzahl pyroelektrischer Kristalle aufgebracht ist, wird weder die erwünsch 1 hohe und sichere mechanische Beanspruchbarkeit erreicht, noch die angestrebt·': ungedämpfte Wirkung der pyroelektrischen Kristalle zugelassen. Da überdies zwar das Substrat aus Halbleitermaterial besteht, die die pyroelektrischen Kristalle tragende Schicht jedoch aus Isoliermaterial, ist es weiterhin erforderlich, die Schirmelektrode zur elektrischen Verbindung mit dem Substrat seitlich weiter- und durch Ausnehmungen der Isolierschicht hindurchzuführen. So sind die schlitzförmigen öffnungen zwar großer selbst als die Summe der Flächen der über ihnen angeordneten Aufnahmeelektroden, die mechanische Stabilität jedoch erweist sich nur als mangelhaft, und je stabiler die tragende Isolierschicht ausgeführt wird, desto weniger vermögen sich die Öffnungen des Substrats auf die Kennwerte des pyroelektrischen Detektors auszuwirken. Die Kontaktierungsschwierigkeiten sind hier nicht ausgeschaltet, sondern vielmehr auf die Bearbeitung des Substrats verlegt, da zwar ein leitfähiges Substrat eingesetzt ist, dieses aber durch Q*i es überfangende Isolierschicht abgedeckt ist.The pyroelectric detector of the type mentioned in US Pat. No. 40 09 516 proves to be equally disadvantageous. By using a substrate made of glass, it is also necessary to wire the difficult-to-connect shield electrode and to extend the recording electrode over the entire area Crystal is impaired since the base area of the crystals used only insignificantly exceeds that of the underlying holes in the substrate, the desired maximum stability of the detector is also not achieved. Finally, US Pat. No. 3,801,949 does not disclose any desirable pyroelectric detectors. By using relatively large slot-shaped openings in the intended substrate, which are initially bridged by an insulating layer, to which a number of pyroelectric crystals are then applied, neither the desired high and safe mechanical strength is achieved, nor the desired undamped effect of pyroelectric crystals. Since, moreover, the substrate is made of semiconductor material, the layer carrying the pyroelectric crystals is made of insulating material, it is still necessary to pass the shielding electrode laterally for electrical connection to the substrate and through recesses in the insulating layer. The slot-shaped openings are larger themselves than the sum of the areas of the receiving electrodes arranged above them, but the mechanical stability proves to be only inadequate, and the more stable the supporting insulating layer is, the less the openings in the substrate are able to adhere to the characteristics of the pyroelectric detector. The Kontaktierungsschwierigkeiten are not turned off here, but rather moved to the processing of the substrate, because although a conductive substrate is used, this but by Q * i it engaging over insulating layer is covered.
Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, einen pyroelektrischen Detektor der eingangs genannten Art einschließlich des Verfahrens seiner Herstellung zu schaffen, der sich leicht, mit geringem Aufwände und mit geringer Ausfallquote herstellen läßt, und der sich als schnellansprechend und mechanisch stabil erweistThe invention is therefore based on the object of providing a pyroelectric detector of the type mentioned at the beginning including the process of its manufacture to create that is easy, with little effort and can be produced with a low failure rate, and which proves to be quick-responding and mechanically stable
Gelöst wird diese Aufgabe, indem bei einem pyroelektrischen Detektor der eingangs genannten Art das Substrat aus Halbleiter- oder elektrisch leitendem Material besteht, in dem die Schirmelektrode mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden ist, indem der Rand des Plättchens mit dem Rand des Substrates übereinstimmt, und indem die Fläche des Loches erheblich größer ist als die Fläche der oberhalb des Loches angeordneten Äufnahmeeiekf rode.This problem is solved by using the pyroelectric detector of the type mentioned above Substrate made of semiconductor or electrically conductive material, in which the shield electrode with the substrate is electrically conductively connected by the edge of the plate coinciding with the edge of the substrate, and in that the area of the hole is considerably larger than the area of those located above the hole Äufnahmeeiekf rode.
Ein mit diesen Merkmalen ausgeführter pyroelektrischer Detektor erweist sich als schnell ansprechend, leicht brauchbar und mechanisch stabil. Durch Verwendung eines elektrisch leitenden oder halbleitenden Substrats wird ein gesonderter Anschluß an die Schirmelektrode, der sich oft als relativ kritisch erweist und schwer herstellbar ist, eingespart. Da das Loch größer :st, als die über ihm liegende Aufnahmeelektrode, w'rd ein schnelles Ansprechen des Detektors erhalten; da jedoch das pyroelektrische Plättchen sich über das gesamte Substrat erstreckt, wird gleichzeitig auch eine hohe mechanische Stabilität des Aufbaues erreicht. Diese ist nicht nur im Betriebe des Detektors wünschenswert, sondern auch schon bei der Herstellung wesentlich, da üblicherweise das Plättchen seine endgültige Stärke erst nach der Befestigung auf dem Substrat erhältA pyroelectric detector designed with these features proves to be quick to respond, easy to use and mechanically stable. By using an electrically conductive or semiconducting substrate becomes a separate connection to the shield electrode, which often proves to be relatively critical and difficult can be produced, saved. Since the hole is larger than the recording electrode above it, it would be quick Get the response of the detector; however, since the pyroelectric plate spreads over the entire substrate extends, a high mechanical stability of the structure is achieved at the same time. This is not only desirable when the detector is in operation, but also essential during manufacture, since this is usually the case the plate receives its final strength only after it has been attached to the substrate
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Hauptanspruches sind in den Un'eransprüchen gekennzeichnet, die gleichzeitig auch zweckmäßige und vorteilhafte Herstellungsverfahren angeben, die sich durch leichte Durchführbarkeit und sich hierbei ergebende geringe Ausschußquoten auszeichnen. Appropriate and advantageous developments of the subject matter of the main claim are in the sub-claims characterized, which at the same time also expedient and advantageous manufacturing processes indicate that are characterized by ease of implementation and the resulting low reject rates.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit diese darstellenden Zeicfinung erläutert. Innerhalb der Zeichnung zeigtThe following are exemplary embodiments of the invention explained in connection with this illustrative drawing. Inside the drawing shows
Fig. 1 einen bekannten pyroelektrischen Detektor im Längsschnitt,Fig. 1 shows a known pyroelectric detector in Longitudinal section,
F i g. 2 eine weitere bekannte Ausführung eines pyroelektrischen Detektors,F i g. 2 another known embodiment of a pyroelectric detector,
Fig.3 in gleicher Darstellung einen weiteren vorbekannten pyroelektrischen Detektor, Fi g.4A in gleichartiger Darstellung ernen gemäß ei-3 shows another previously known in the same representation pyroelectric detector, Fig. 4A in a similar representation according to a
nem Ausführungsbeispiel der Erfindung gestalteten pyroelektrischen Detektor,nem embodiment of the invention designed pyroelectric Detector,
F i g. 4B in perspektivischer Darstellung mit bereichsweise aufgebrochenem Gehäuse eine praktische Ausführung des im Prinzip in Fig.4A gezeigten pyroelektrischen Detektors,F i g. 4B shows a practical embodiment in a perspective view with the housing broken open in some areas of the pyroelectric shown in principle in Fig. 4A Detector,
F i g. 5 ein Schaltbild des pyroelektrischen Detektors derFig.4B,F i g. 5 is a circuit diagram of the pyroelectric detector of FIG. 4B,
F i g. 6 bei der Herstellung von pyroelektrischen Detektoren sich ergebende Herstellungs-Teilphasen,F i g. 6 production sub-phases resulting from the production of pyroelectric detectors,
F i g. 7 entsprechende Phasen eines abgeänderten Herstellungsverfahrens, undF i g. 7 corresponding phases of a modified manufacturing process, and
F i g. 8 Phasen eines weiterhin variierten Herstellungsverfahrens. F i g. 8 phases of a still varied manufacturing process.
Ir. den Fig. 1 bis 3 sind, wie schon einleitend ausgeführt, bekannte Ausführungen von pyroelektrischen Detektoren schematisch dargestellt.Ir. Figs. 1 to 3 are, as already stated in the introduction, known designs of pyroelectric detectors shown schematically.
Ein gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführter pyroelektrischer Detektor ist in der gleichen Darstellung eines schematischen Längsschnittes in F i g. 4A gezeigt, während F i g. 4B einen praktisch ausgeführten pyroelektrischen Detektor perspektivisch mit aufgebrochenem Gehäuse zeigt.A pyroelectric detector implemented in accordance with an embodiment of the invention is in the same Representation of a schematic longitudinal section in FIG. 4A, while FIG. 4B a practically executed one shows pyroelectric detector in perspective with the housing broken open.
In Fig.4A ist ein durch einen pyroelektrischen Kristall gebildetes Plättchen 11 gezeigt, das bspw. aus LiTaO3 besteht und bei einer Dicke von rund 50 μπι Kantenlängen von 3,5 mm χ 33 mm aufweist. Auf der oberen Grundfläche des Plättchens It ist eine Aufnahmeelektrode 12 vorgesehen, die der Aufnahme von Infrarotstrahlen dient, und die als Scheibe mit einem Durchmesser von 2 mm ausgeführt ist. Auf die gegenüberliegende, untere Grundfläche des Plättchens 11 ist eine Schirmelektrode 13 aufgebracht, welche sich über die gesamte Grundfläche des Plättchens 11 erstreckt. Das derart mit einer Aufnahmeelektrode versehene und von einer Schirmelektrode unterfangene Plättchen Ji ist mit seiner Schirmelektrode 13 mittels eines elektrisch leitenden Klebers 14 auf ein aus Halbleitermaterial, bspw. Silizium, bestehendes Substrat 15 fest aufgeklebt, wobei die Hauptebene des Substrates 15 in seiner (lOO)-Kristallebene ausgerichtet ist. Dieses Substrat 15 weist bei einer Dicke von 250 μπι Kantenlängen von 3.5 mm χ 33 mm auf und enthält in seiner Mitte ein eine quadratische Grundfläche aufweisendes Loch 16 mit den lich',en Weiten von 2.5 mm χ 15 mm. Dieses Loch 16 ist zweckmäßig durch ein selektives Ätzverfahren hergestellt, und es entspricht in seiner axialen Lage der Position der Aufnahmeelektrode 12, auch wenn das Loch 16 erheblich größer als die Aufnahmeelektrode 12 ausgeführt ist Die verbleibende Unterseite des Substrates 15 ist mittels eines elektrisch leitenden Klebers 17 auf einen Sockel 18 geklebt, der mit einem mittels einer Isolierbuchse 19 isolierten Anschlußstift 20 ausgestattet ist. Dieser Anschlußstift 20 ist mittels eines Anschlußdrahtes 21. der aus Gold oder Aluminium hergestellt sein kann, mit der Aufnahmeelektrode 12 verbunden, während die Schirmelektrode 13 über die elektrisch leitenden Kleber 14 und 17 sowie das Substrat 15 mit dem Körper des Sockels 18 in Verbindung steht4A shows a plate 11 formed by a pyroelectric crystal, which consists, for example, of LiTaO 3 and, with a thickness of around 50 μm, has edge lengths of 3.5 mm 33 mm. On the upper base of the plate It is provided a receiving electrode 12 which is used to receive infrared rays and which is designed as a disk with a diameter of 2 mm. A shielding electrode 13 is applied to the opposite, lower base area of the plate 11 and extends over the entire base area of the plate 11. The plate Ji provided with a receiving electrode in this way and underpinned by a shielding electrode is firmly glued with its shielding electrode 13 by means of an electrically conductive adhesive 14 to a substrate 15 made of semiconductor material, for example silicon, the main plane of the substrate 15 being in its (100) -Crystal plane is aligned. This substrate 15 has edge lengths of 3.5 mm 33 mm with a thickness of 250 μm and contains in its center a hole 16 having a square base area with the widths of 2.5 mm 15 mm. This hole 16 is expediently made by a selective etching process, and its axial position corresponds to the position of the receiving electrode 12, even if the hole 16 is made considerably larger than the receiving electrode 12 glued to a base 18 which is equipped with a terminal pin 20 which is insulated by means of an insulating bushing 19. This connecting pin 20 is connected to the receiving electrode 12 by means of a connecting wire 21, which can be made of gold or aluminum, while the shielding electrode 13 is connected to the body of the base 18 via the electrically conductive adhesives 14 and 17 and the substrate 15
Die praktische Ausführung des pyroelektrischen Detektors ist anhand der perspektivischen Darstellung der Fig.4B ersichtlich, während die Fig.5 dessen Schaltbild aufzeigt Nach F i g. 4B steht die auf das Plättchen ϊ ί aufgebrachte Aufnahmeeiektrode 12 mit elektrisch leitenden Halteelementen 22a und b in elektrisch leitender Verbindung, und auf der Grundfläche des Sockels 18 sind zwei Widerstände 23 bzw. 24 sowie ein FET 25 angeordnet Der zwischen dem Sockel 18 und der ihn überdeckenden, in der Figur aufgebrochen dargestellten Haube 26 eingeschlossene Raum ist mit Stickstoff (N2) ausgefüllt. In das Zentrum der Haube 26 ist ein Fenster 27 aus Silizium eingesetzt. Der Sockel 18 ist mit drei Anschlußstiften Tausgestattet, von denen der an Masse liegende Anschlußstift Ti direkt den Sockel durchgreift, während die beiben übrigen Anschlußstiftc den Sockel isoliert durchgreifen. Von ihnen ist der Anschlußstift Tj mit dem Widerstand 24 und der SourceThe practical design of the pyroelectric detector can be seen from the perspective illustration in FIG. 4B, while FIG. 5 shows its circuit diagram according to FIG. 4B, the receiving electrode 12 attached to the plate ϊ ί is in an electrically conductive connection with electrically conductive holding elements 22a and b , and two resistors 23 and 24 and an FET 25 are arranged on the base of the base 18, respectively, between the base 18 and the him Covering space 26, shown broken open in the figure, is filled with nitrogen (N 2 ). In the center of the hood 26, a window 27 made of silicon is inserted. The base 18 is provided with three connection pins Tau, of which the connection pin Ti, which is connected to ground, extends directly through the base, while the remaining connection pins reach through the base in an isolated manner. Of them, the pin Tj is with the resistor 24 and the source
ίο des FET 25 verbunden, während der Anschlußstift Tj zum Drain des FET 25 geführt ist. Die auf dem Sockel 18 angeordneten Widerstände 23 und 24 sind, wie auch Fig.5 zeigt, mit ihren freien Enden jeweils mit dem Sockel 18 und damit dem Anschlußstift 7i verbunden, und sie sind mit Widerstandswerten von 10" bzw. 104 Ohm ausgeführt.ίο of the FET 25 connected, while the pin Tj is led to the drain of the FET 25. Arranged on the base 18 resistors 23 and 24 are, as well as Figure 5 shows, with their free ends to the base 18 and thus the pin 7i connected, and they are carried out with resistance values of 10 "or 10 4 ohms.
Fällt nun eine Infrarotstrahlung durch das aus Silizium gebildete Fenster 27 auf die Aufnahmeeiektrode i2 ein, so wird deren Potential das Gate des FET 25 steuern und dementsprechend zwischen den Anschlußstiften T\ und Ti eine entsprechende Ausgangsspannung erzeugen. If an infrared radiation now falls through the window 27 made of silicon on the receiving electrode i2, its potential will control the gate of the FET 25 and accordingly generate a corresponding output voltage between the connecting pins T 1 and Ti.
Als vorteilhaft erweist sich die geringe Wärmekapazität des mit den Fig.4 und 5 dargestellten pyroeleklrisehen Detektors, weil der mit der AufnahmeeiektrodeThe low heat capacity of the pyroeleklrisehen shown in FIGS. 4 and 5 has proven to be advantageous Detector because the one with the receiving electrode
12 ausgestattete Bereich des Plättchens 11 nach unten frei steWf und über dem Loch 16 des Substrates 15 angeordnet ist. Auch das Anschließen der Schirmelektrode12 equipped area of the plate 11 is free downwards and arranged over the hole 16 of the substrate 15 is. Also connecting the shield electrode
13 bereitet keine Schwierigkeiten, da eine gesonderte Verbindung vermittels von Drähten entfällt und die erforderliche Verbindung mit dem Sockel 18 bzw. dem Anschlußstift T\ vermittels elektrisch leitender Kleber13 does not cause any difficulties, since there is no separate connection by means of wires and the required connection to the base 18 or the connection pin T \ by means of electrically conductive adhesive
14 und 17 sowie des Substrates 15 bewirkt ist. Damit ergibt sich auch eine hohe mechanische Stabilität und
elektrische Beständigkeit und damit eine lange Lebensdauer, da das durch den pyroelckt.-ischen Kristall gebildete
Plättchen 11 entlang seiner Kontur sicher und weitgehend
spannungsfrei vom Substrat 15 getragen ist.
Herstellbar ist der in Fig.4B gezeigte pyroelektrisehe
Detektor bspw. mittels des anhand der F i g. 6 erläuterten Verfahrens. Hier wird in einer ersten Phase
entsprechend der Darstellung a auf einer der Grundflächen einer aus einem pyroelektrischen Kristall bestehenden
Platte 31 eine Schirmelektrode 13 gebildet. Die Platte selbst weist bei einem Durchmesser von 63 mm
eine Dicke von 250 μπι auf und besteht aus einem Z-Substrat
aus LiTaO3. Die Schirmelektrode 13, die aus
Chromnickel bestehen kann, kann im Vakuumaufdampfungsverfahren oder in einem AufsprühverfahreH hergestellt
werden. Im folgenden Verfahrensschritt b wird auf eine der Grundflächen eines Substrates 15 des
Durchmessers von 23 mm und der Dicke von 250 μπι der Orientierung (100) ein Oxydfilm 32 aufgebracht, der
als Maske für einen folgenden Ätzvorgang verwendet wird und Vierkantlöcher einer Kantenlänge von
2,8 mm χ 2,8 mm aufweist14 and 17 and the substrate 15 is effected. This also results in a high mechanical stability and electrical resistance and thus a long service life, since the platelet 11 formed by the pyro-elastic crystal is supported securely and largely free of tension by the substrate 15 along its contour.
The pyroelectric detector shown in FIG. 6 explained procedure. Here, in a first phase, as shown in illustration a, a shield electrode 13 is formed on one of the base surfaces of a plate 31 made of a pyroelectric crystal. The plate itself has a diameter of 63 mm, a thickness of 250 μm and consists of a Z substrate made of LiTaO3. The shield electrode 13, which can consist of chromium-nickel, can be produced in a vacuum vapor deposition process or in a spray-on process. In the following process step b , an oxide film 32 is applied to one of the base areas of a substrate 15 with a diameter of 23 mm and a thickness of 250 μm of orientation (100), which is used as a mask for a subsequent etching process and square holes with an edge length of 2.8 mm χ 2.8 mm
Nach dem in Fig.6, Phase c dargestellten Verfahrensschritt ist die mit der Schirmelektrode 13 überzogene Grundfläche der Platte 31 mittels eines elektrisch leitenden Klebers 14 auf das den Oxydfilm 32 aufweisende Substrat 15 geklebt und im folgenden Verfahrensschritt wird entsprechend der Phase dd\s Platte 31 von ihrer ursprünglichen, in strichpunktierten Linien dargestellten Abmessung auf eine Stärke von nur 50 μπι herabgeschliffen.After in Fig.6, stage c process step illustrated, the coated with the shield electrode 13 base surface of the plate 31 on the bonded by means of an electrically conductive adhesive 14 of the oxide film 32 having substrate 15 and in the following step of phase dd \ s is accordingly plate 31 ground down from its original dimension shown in dash-dotted lines to a thickness of only 50 μm.
Im folgenden Verfahrensschritt wird das in seiner Stärke reduzierte pyroelektrische Kristallplättchen 31 mit dem angeklebten Substrat 15 in flüssiges HydrazinIn the following process step, the pyroelectric crystal plate 31, which has been reduced in its thickness with the adhered substrate 15 in liquid hydrazine
einer Temperatur von 100" C getanen ι. Hierbei wird von der Eigenschaft des Hydraxins Gebrauch gemacht, daß dieses in der Richtung (100) intensiv ätzend wirkt, in der Richtung (111) jedoch nur langsam. Dieses hat zur Folge, daß das aus Silizium bestehende Substrat 15 in einem Winkel von 57° gegen die (100)-Grundflache des Kristallpiättchens selektiv geätzt wird. Die in der F i g. 6, Phase e dargestellten vierkantigen Löcher 16, deren jedes eine Kantenlänge von jeweils 2,5 mm χ 2,5 mm hat, werden durch diesen selektiven Ätzvorgang aus dem aus Silizium bestehenden Substrat 15 herausgeätzt.a temperature of 100 "C done ι. This is done by made use of the property of hydraxin that this is intensely corrosive in the direction (100) in which Direction (111), however, only slowly. This has the consequence that the substrate 15 made of silicon is at an angle of 57 ° against the (100) base surface of the crystal platelet is selectively etched. The in the F i g. 6, phase e shown square holes 16, each of which each with an edge length of 2.5 mm 2.5 mm are removed from the etched out of silicon substrate 15.
Im folgenden, in F i g. 6, Phase /dargestellten Arbeitsvorgang wird der ursprünglich als Maske vorgesehene Oxydfilm 32 entfernt, und auf der geschliffenen freien Grundfläche des Kristallplättchens 31 werden jeweils über den Löchern 16 Aufnahmeelektroden 12 eines Durchmessers von jeweils 2,0 mm gebildet. Damit sind die flächenmäßig erheblich kleiner als das jeweils zugeordnete Loch 16 ausgebildeten Elektroden 12 gerade oberhalb des zugeordneten Loches vorgesehen. Eine Aufsicht auf das so gebildete, auf dem Substrat montierte und mit Aufnahme- und Schirmelektroden ausgestattete Kristallplättchen 31 zeigt die Fig.6 im Phasenbild g. Durch gestrichelte Quadrate sind die Löcher 16 dargestellt, obgleich gegenüber der Darstellung in F i g. 6 (g) der Abstand zwischen den Löchern 16 größer ist. — Das Kristallplättchen 31 wird schließlich auf einer Chip-Schneidemaschine in einzelne Chips gemäß F i p. 6 (h) und F i g. 6 (i) aufgeteilt, die dann gemäß F i g. 6 (j) mit elektrisch leitendem Kleber auf dem Sokkcl 18 befestigt werden.In the following, in FIG. 6, phase / work process shown, the oxide film 32 originally provided as a mask is removed, and receiving electrodes 12, each 2.0 mm in diameter, are formed over the holes 16 on the ground free base of the crystal plate 31. The electrodes 12, which are designed to be considerably smaller in area than the respectively assigned hole 16, are thus provided just above the assigned hole. A plan view of the crystal plate 31 formed in this way, mounted on the substrate and equipped with receiving and shielding electrodes, is shown in FIG . 6 in phase diagram g. The holes 16 are shown by dashed squares, although compared to the illustration in FIG. 6 (g) the distance between the holes 16 is greater. - The crystal wafer 31 is finally on a chip cutting machine into individual chips according to FIG. 6 (h) and F i g. 6 (i), which are then divided according to FIG. 6 (j) can be attached to the base 18 with electrically conductive adhesive.
Das anhand der F i g. 6 dargestellte Verfahren vereinfacht die Herstellung von pyroelektrischen Detektoren schon durch die Verwendung einer größeren Kristallplatte 31, mittels deren gleichzeitig eine größere Anzahl von einzelnen Chips herstcli'uär ist. so daß sieh dieses Verfahren für die Serienherstellung kostengünstiger Detektoren eignet. Andererseits kann dieses Verfahren aber auch weitgehend variiert werden. So können z. B. an die Stelle des Substrats 15 aus Ge, GaAs oder GaP hergestellte Trägerschichten treten. Es könnten auch Verfahrensschritte gegeneinander ausgetauscht werden; so könnte bspw. der Ätzvorgang der Phase e vor dem Schleifen gemäß Phase ddurchgeführt werden.Based on the FIG. The method shown in FIG. 6 simplifies the production of pyroelectric detectors simply by using a larger crystal plate 31, by means of which a larger number of individual chips can be produced at the same time. so that this method is suitable for the series production of inexpensive detectors. On the other hand, this process can also be varied to a large extent. So z. B. take the place of the substrate 15 made of Ge, GaAs or GaP carrier layers. Process steps could also be exchanged for one another; for example, the etching process of phase e could be carried out before grinding in accordance with phase d.
Ein weiteres bevorzugtes Herstellungsverfahren pyroelektrischer Detektoren ist anhand der F i g. 7 erläutert. Zunächst wird in einem ersten, in F i g. 7 (a) veranschaulichten Arbeitsschritt auf einer der Grundflächen einer aus einem pyroelektrischen Kristall bestehenden Platte 41 eine durchgehende Schirmelektrode 42 hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden gemäß F i g. 7 (b) in ein Substrat 44 kreisrunde Löcher 43 eingearbeitet Das Substrat 44- besteht zweckmäßig aus einem Halbleiter- oder einem elektrisch leitenden Material, bspw. aus Si, Ge, GaAs, GaP, oder aber aus Metall. Für das Herstellen der zylindrischen Löcher 43 kann ein konventionelles Verfahren eingesetzt werden, bspw. das Bohren im Ultraschallverfahren oder ein entsprechendes Sandblasverfahren.Another preferred method of manufacturing pyroelectric detectors is shown in FIG. 7 explained. First, in a first, in FIG. 7 (a) illustrated work step on one of the base surfaces a plate 41 consisting of a pyroelectric crystal, a continuous shield electrode 42 is made. In a further process step, according to FIG. 7 (b) circular holes 43 in a substrate 44 incorporated The substrate 44- expediently consists of a semiconductor or an electrically conductive material, for example made of Si, Ge, GaAs, GaP, or made of metal. For the production of the cylindrical holes 43 can be a conventional methods can be used, e.g. drilling using the ultrasonic method or a corresponding one Sandblasting process.
Nach F i g. 7 (c) wird sodann die auf der Platte 41 gebildete Schirmelektrode 42 mittels eines elektrisch leitenden Klebers 45 auf dem Substrat 44 befestigt Fig.7(d) veranschaulicht einen weiteren Arbeitsvorgang, nach dem die zum Teil mit strichpunktierten Linien angedeutete Platte 41 zu einem Kristallplättchen von 50 μπι Dicke herabgeschliffen wird. Nach der folgenden Phase der F i g. 7 (e) werden auf der geschliffenen freien Grundfläche des Kristallplättchens 41 scheibenförmige Aufnahmcclckiroden 46 geformt und hergestellt, deren Durchmesser jeweils geringer ist als der Durchmesser der achsgleich unter ihnen vorgesehenen zylindrischen Löcher 43. Anschließend werden, wie dieses im Phasenbild der F i g. 7 (f) und der Aufsicht der F i g. 7 (g) wiedergegeben ist, jeweils zwischen den Aufnahmeelektroden 46 Verbindungselektroden 47 geformt und hergestellt. Die Löcher 43 sind in dieser Aufsicht gestrichelt gezeigt.According to FIG. 7 (c), then, the shield electrode 42 formed on the plate 41 becomes electrical by means of an conductive adhesive 45 attached to the substrate 44 Fig.7 (d) illustrates another operation, after which the plate 41, partly indicated by dash-dotted lines, becomes a crystal plate is ground down by 50 μπι thickness. After the following Phase of the F i g. 7 (e) become disk-shaped on the ground free base of the crystal plate 41 Shaped and manufactured receivingcclckiroden 46, each of which has a diameter smaller than that Diameter of the coaxially provided cylindrical holes 43. Then, like this in the phase diagram of FIG. 7 (f) and the supervision of F i g. 7 (g) is shown, each between the pick-up electrodes 46 connecting electrodes 47 are molded and fabricated. The holes 43 are in this plan shown in phantom.
ίο Anschließend wird wieder, veranschaulicht durch Fig. 7(h) und 7 (i), das Kristallplättchen 41 der Fig-7(g) mittels einer Universal-Chip-Schneidemaschine jeweils mittig zwischen den Löchern 43 in einzelne Chips aufgeteilt. Sodann werden die Chips mittels eines elektrisch leitenden Klebers 50 auf Sockel 49 aufgeklebt, und ein vermittels einer Isolierbuchse 52 gehaltener Anschlußstift 51 wird mittels eines Anschlußdrahtes 53 mit mindestens einer der Verbindungselektroden 47 verbunden, die den elektrisch leitenden Halteelementen 22 der Fig.4B entsprechen. Der im Prinzip in F|g·7 (j) gezeigte pyroelektrische Detektor kann im übrigen in der in F i g. 4B gezeigten Weise montiert sein. Ein weiteres Herstellungsverfahren wird im folgenden anhand der F i g. 6 erläutert. Nach F i g. 6 (a) wird auf einer der Grundflächen einer aus einem pyroelektrischen Kristall bestehenden Platte 61 eine sich über die gesamte Grundfläche erstreckende Schirmelektrode 62 gebildet. Nach F i g. 8 (b) wird sodann unter Verwendung einer elektrisch leitenden Dickfilmpaste auf der freien Grundfläche der Schirmelektrode 62 ein mit kreisrunden Löchern 64 ausgestattetes Substrat 63 gebildet, dessen Löcher eingearbeitet sein können. Andererseits kann die Dickfilmpaste auf die Schirmelektrode 62 unter Aussparung der Flächenbereiche der Löcher 64 aufgetragen werden, wobei ein eine Stunde andauerndes Siebdruckvefiahfen Anwendung finden kann. Nach dem Auftragen der elektrisch leitenden Dickfilmpaste wird diese für die Dauer einer weiteren Stunde gebrannt.Then again, illustrated by FIGS. 7 (h) and 7 (i), the crystal plate 41 of FIG. 7 (g) is divided into individual chips in the middle between the holes 43 by means of a universal chip cutting machine. The chips are then glued to the base 49 by means of an electrically conductive adhesive 50, and a connecting pin 51 held by an insulating bushing 52 is connected by means of a connecting wire 53 to at least one of the connecting electrodes 47 which correspond to the electrically conductive holding elements 22 of FIG. 4B. The principle in F | The pyroelectric detector shown in FIG. 7 (j) can also be used in the manner shown in FIG. 4B. Another manufacturing process is described below with reference to FIGS. 6 explained. According to FIG. 6 (a), on one of the bases of a plate 61 made of a pyroelectric crystal, a screen electrode 62 extending over the entire base is formed. According to FIG. 8 (b), a substrate 63 provided with circular holes 64 is then formed using an electrically conductive thick film paste on the free base surface of the shield electrode 62, the holes of which can be incorporated. On the other hand, the thick film paste can be applied to the shielding electrode 62, leaving out the surface areas of the holes 64, using a screen printing method lasting one hour. After applying the electrically conductive thick film paste, it is baked for a further hour.
Nach F i g. 8 (c) wird dann die freie Grundfläche der in strichpunktierten Linien dargestellten Platte 61 zur Bildung eines Kristallplättchens gleicher Bezeichnung auf eine Dicke von 50 μπι herabgeschliffen. Im folgenden, in F i g. 8 (d) wiedergegebenen Bearbeitungsschritt werden auf der freien, geschliffenen Grundfläche des Kristallplättchens 61 Aufnahmeelektroden 65 geformt gebildet, bspw. durch Aufsprühen oder Vakuumaufdampfen von Chromnickel. Jede dieser Aufnahmeelektroden zeigt sich als Scheibe eines Durchmessers vonAccording to FIG. 8 (c) then becomes the free base of the plate 61 shown in dash-dotted lines Formation of a crystal plate of the same name ground down to a thickness of 50 μm. Hereinafter, in Fig. 8 (d) are shown on the free, ground surface of the Crystal plate 61 formed receiving electrodes 65 formed, for example. By spraying or vacuum vapor deposition of chrome nickel. Each of these pick-up electrodes appears as a disk with a diameter of
so 2,0 mm, so daß sie jeweils einen geringeren Durchmesser aufweisen als die kreisrunden Löcher 64 und damit das Substrat nicht übergreifen. Im Kontakt mit diesen Aufnahmeelektroden 65 werden sodann Verbindungselektroden 66 gemäß F i g. 8 (e) aus ca. 1 um dickem Aluminium, das im Vakuum aufgedampft wird, aufgebracht Anschließend werden die Kristallplättchen 61 inklusive des unterfangenden Substrates 63 jeweils zwischen den Löchern 64 durch eine Universal-Chip-Schneidemaschine in einzelne Chips zerschnitten. Diese werden sodann vermittels eines elektrisch leitenden Klebers 69 auf einen Sockel 68 aufgeklebt, und ihre Verbindungselektrode wird vermittels eines Drahtes mit dessen isolierten Anschlußstift verbunden.so 2.0 mm, so that they each have a smaller diameter than the circular holes 64 and thus do not reach over the substrate. In contact with these receiving electrodes 65, connecting electrodes 66 as shown in FIG. 8 (e) made of about 1 µm thick Aluminum, which is vapor-deposited in a vacuum, is applied. The crystal flakes 61 are then applied including the underpinning substrate 63 in each case between the holes 64 by a universal chip cutting machine cut into individual chips. These are then by means of an electrically conductive Adhesive 69 is stuck on a base 68, and its connection electrode is connected by means of a wire connected to its isolated pin.
Die tatsächliche Montage und das Gehäuse des Detektors entsprechen der Darstellung der F i g. 4B.The actual assembly and the housing of the detector correspond to the illustration in FIG. 4B.
Das anhand der F i g. 8 beschriebene Verfahren zur Herstellung pyroelektrischer Detektoren erweist sich als besonders einfach und läßt sich mit geringem Auf-Based on the FIG. 8 described method for the production of pyroelectric detectors proves as particularly simple and can be
wände und unter Anfall nur geringen Ausschusses durchführen, da nicht nur auf einer gemeinsamen Platte eine Vielzahl von Chips gemeinsam hergestellt wird, auch die Bildung des mit Löchern ausgestatteten Substrates läßt sich durch direkt geformte Aufbringung ei- 5 ner Dickfilmpaste auf die für eine Reihe von Chips vorgesehene Platte einfach und mit geringem Aufwand bewirken. Gemeinsam ist den Herstellungsverfahren der Einsatz pyroelektrischer Kristalle für die Platte zur Bildung der Plättchen. So kann, wie bereits angegeben, io bspw. ein Kristall von LiTaOj verwendet werden. Andererseits können aber auch weitere pyroelektrische Stoffe, bspw. Triglyzerinsulfat (TGS) verwendet werden, aber auch Strontiumbariumniobat (SBN), PbTiO3 oder PZT — als ferrokeramische Stoffe. 15walls and carry out only a small amount of scrap, since not only a large number of chips are produced together on a common plate, the formation of the substrate equipped with holes can also be formed by applying a thick film paste directly to the for a number of chips Effect the intended plate easily and with little effort. What these manufacturing processes have in common is the use of pyroelectric crystals for the plate to form the platelets. As already stated, for example a crystal of LiTaOj can be used. On the other hand, other pyroelectric substances, for example triglycerol sulfate (TGS), but also strontium barium niobate (SBN), PbTiO 3 or PZT - as ferroceramic substances can be used. 15th
2020th
2525th
3030th
3535
4040
4545
5050
5555
6060
6565
Claims (11)
daß die Schirmelektrode (13, 42; 62) mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden ist,
daß der Rspd des Plättchens (11, 48, 67) mit dem Rand des Substrates (15,44,63) übereinstimmt,
und daß die Fläche des Loches (16,43,64) erheblich größer ist als die Fläche der oberhalb des Loches angeordneten Aufnahmeelektrode (12,46,65).that the substrate (15, 44, 63) consists of semiconductor or electrically conductive material,
that the shield electrode (13, 42; 62) is connected to the substrate in an electrically conductive manner,
that the Rspd of the plate (11, 48, 67) coincides with the edge of the substrate (15,44,63),
and that the area of the hole (16,43,64) is considerably larger than the area of the receiving electrode (12,46,65) arranged above the hole.
daß mit der Schirmelektrode durch einen elektrisch leitenden Kleber (14) ein aus Halbleitermaterial bestehendes Substrat (15) verbunden wird,
daß die Dicke der Platte (31) durch Schleifen ihrer freiliegenden Grundfläche reduziert wird,
daß in das Substrat Löcher (16) eingearbeitet werden, that the shield electrode (13) is applied to one of the base surfaces of a plate (31) made of pyroelectric material,
that a substrate (15) made of semiconductor material is connected to the shield electrode by an electrically conductive adhesive (14),
that the thickness of the plate (31) is reduced by grinding its exposed base,
that holes (16) are machined into the substrate,
und daß die derart erhaltene Schichtplatte jeweils mittig zwischen den Löchern zersägt bzw. zerschnitten wird (F ig. 6).that on the plate (31) in each case above the holes (16) of the substrate (15) receiving electrodes (12) are applied, the areas of which are each considerably smaller than the areas of the holes,
and that the laminated panel obtained in this way is sawn or cut in the middle between the holes (Fig. 6).
daß in ein Substrat (44) aus Halbleiter- oder elektrisch leitendem Material Löcher (43) eingearbeitet werden,that the shield electrode (42) is applied to one of the base surfaces of a plate (41) made of pyroelectric material,
that holes (43) are machined into a substrate (44) made of semiconductor or electrically conductive material,
daß die Dicke der Platte (41) durch Schleifen ihrer freiliegenden Grundfläche reduziert wird, daß auf die Platte (41) jeweils oberhalb der Löcher (43) des Substrates (44) Aufnahmeelektroc'en (56) aufgebracht werden, deren Flächen jeweils erheblich kleiner sind als die Flächen der Löcher, und daß die erhaltene Schichtplatte jeweils mittig zwischen den Löchern zersägt bzw. zerschnitten wird (F i g. 7).that the shield electrode (42) is connected to the substrate (44) by an electrically conductive adhesive (45),
that the thickness of the plate (41) is reduced by grinding its exposed base, that on the plate (41) in each case above the holes (43) of the substrate (44) receiving electrodes (56) are applied, the areas of which are each considerably smaller than the surfaces of the holes, and that the laminated plate obtained is in each case sawn or cut in the middle between the holes (FIG. 7).
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- 1980-09-24 GB GB8030792A patent/GB2061616B/en not_active Expired
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